浅谈电力电子器件的发展和应用

浅谈电力电子器件的发展和应用

电力电子技术包括功率半导体器件与技术、功率变换技术及控制技术等几个方面, 其中, 电力电子器件是电力电子技术的重要基础, 也是电力电子技术发展的“ 机车” 。现代电力电子技术无论对改造传统工业电力、机械、矿冶、交通、化工、轻纺等, 还是对高新技术产业航天、激光、通信、机器人等都至关重要。它已迅速发展成一门独立的学科, 其应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门, 毫无疑问, 它将成世纪的关键技术之一。 “ 一代器件决定一代电力电子技术。”每一代新型电力电子器件的出现, 总是带来一场电力电子技术的革命。电力电子器件是指可直接用于处理电能的主电路中, 实现 电能的变换或控制的电子器件。

1.电力电子器件

自20 世纪50 年代末第一只晶闸管问世以来, 电力电子技术开始登上现代电气传动技术舞台, 以此为基础开发的可控硅整流装置, 是电气传动领域的一次革命, 使电能的变换和控制从旋转变流机组和静止离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代, 这标志着电力电子的诞生。

进入70 年代晶闸管开始形成由低电压小电流到高电压大电流的系列产品, 普通晶闸管不能自关断的半控型器件, 被称为第一代电力电子器件。随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高, 电力电子器件在容易和类型等方面得到了很大发展, 是电力电子技术的又一次飞跃, 先后研制出GTR.GTO, 功率MOSFET 等自关断全控型第二代电力电子器件。而以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的第三代电力电子器件, 开始向大容易高频率、响应快、低损耗方向发展。

而进入90 年代电力电子器件正朝着复台化、标准模块化、智能化、功率集成的方向发展。近年来, 微电子技术与电力电子技术又在各自的发展的基础上相结合, 产生了一批工作频率高, 具有门极全控性能集成器件, 他们的品种越来越多, 功率越来越大, 性能越来越好, 已经形成了庞大的电力电子其器件家族树。

2.电力电子器件的发展

据电力电子器件的发展现状及趋势, 预计在今后几年, 电力电子器件将在以下方面取得进展,已进入实用化的全控型器件将在功率等级、易于驱动和更高工作频率这三个方面继续改善和提高。由于MCT、IGBT、IGCT 等器件的大容量化及实用化, 在更多的领域, IGBT 和IGCT 将取代GTO。IGCT 等新型混合器件将逐步得以推广应用。功率集成电路将会有更进一步的发展。这将预示着电力电子技术将跃入一个新的时代。新型半导体材料SiC 的问世, 将预示着在不远的将来会诞生一种集高耐压、大电流、高开关速度、无吸收电路、简单的门极驱动、低损耗等所有优点于一身的新型SiC 电力器件。

3.电力电子器件的应用

电力电子器件的应用是电力电子技术的一部分。电力电子器件的应用技术称为变流技术，它包括用电力电子器件构成各种电力电子电路和对这些电路进行控制的技术，以及由这些电路构成电力电子装置和电力电子系统的技术。近年来，由于电力电子变流技术的迅猛发展，已经成为其他工业技术发展的重要基础。电力电子器件不仅应用于电力系统，也广泛应用于工业、交通运输、通信系统、计算机系统、新能源系统；还应用于照明、空调等家用电器中，可概括为以下几个领域：

(1) 电力系统。为了控制和改善供电质量，发电厂发出的交流电必须经过电力电子装置的处理后送到用户端，没有电力电子器件的应用，就没有电力系统的现代化。从技术层面来讲， 电力市场的引入将产生对电力品质的改善装置，如不间断电源(UPS)、静止无功补偿装置(SVC)、静止无功发生器(SVG)、动态电压恢复器(DVR)、电力有源滤波器(APF)、限流器、电力储能装置、微型燃气发电机(Micro Cas Turbo) 等新需求；再生能源、环保发电技术等分散发电将需要交直流变流装置。 (2) 新能源利用与环境保护。电力电子器件装置还用于太阳能发电、风力发电装置与电力系统的联网，以及太阳能发电与风力发电电能的改善。 (3) 混合动力汽车。由于电力电子器件应用技术的迅速发展，交流电动机的调速性能可以和直流电动机相媲美。在工业电动机的控制中，交流调速、直流调速以及节能和软起动都是通过电力电子器件实现的。

(4) 交通运输。铁道电气化、电力机车控制、磁悬浮列车的使用都离不开电力电子器件，高级汽车中许多电机的控制是靠变频或斩波实现的。电动汽车的电动机控制和蓄电池充电也是靠电力电子装置实现，飞机、船舶、电梯等都离不开电力电子装置。

(5) 电源。不间断电源、电解电源、电镀电源、开关电源、微机及仪器仪表电源、航空电源、通信电源、交流电子稳压电源、脉冲功率电源、动力牵引及传动控制用电源都是靠变流技术实现的。

(6) 家用电器。用于家庭照明的LED节能灯，体积小、发光效率高、节省能量多，这是通过电力电子器件把交流电转换成电力电子照明电源来实现的。此外，变频空调、电视机、音响、洗衣机、电冰箱、微波炉、计算机等都离不开电力电子器件的应用。

电力电子技术的迅猛发展, 为大容量、快速的机车电力牵牵引系统提供了坚实的基础。电力电子器件作为电力电子技术发展的主导器件, 是电力电子技术的发展的决定性因素, 必将推动电力电子技术的飞速发展, 同时也将促进以电力电子技术为基础的交流传动技术的迅猛发展。

4.课程总结

1、 本学期讲的主要内容是Auto CAD 在电气工程中的应用，随着计算机技术的发展，计算机辅助设计技术（CAD）已经广泛应用于诸多专业的设计和研究以及国民经济的各个方面。课上老师讲了很多CAD制图在电气元件设备绘制，我们也学了很多，当然更多的是基础。从基础的线、圆到各种角度的弧，再到小元件单元的组合绘制。结合板书、多媒体课件及实物展示等教学手段,采用演示教学和渐进式启发教学相结合的教学方式,在激发学生兴趣、培养自学和独立思考能力, 促进学生对各种知识相互关联的掌握能力, 提高对知识的融合、灵活应用能力学生在绘图设计过程中,通过对电工电子线路和电气产品的设计,了解电工电子技术的应用;探知最前沿的科学技术,增强求知欲望,培养自我发展的能力。我相信在日后的学

习生活中，我会做的更好。

2、我感兴趣的方向是用新型材料制作的电力电子器件：就以砷化镓为例，砷化镓是一种很有发展前景的半导体材料,与硅相比,砷化镓有两个独特优点:

(1) 禁带宽度能量为1. 4 eV ,较硅的1. 1 eV 要高. 正因如此,砷化镓整流元件可在350 ℃的高温下工作(硅整流元件只能达到200 ℃) ,具有很高的耐温特性,有利于模块小型化. (2) 砷化镓材料的迁移率为8 000 cm2 / (V·s) ,是硅材料的5 倍,因而同容量的器件几何尺寸更小,从而可减小寄生电容,提高开关频率(1 MHz以上) . 当然,由于砷化镓材料禁带宽度大,也带来正向压降比较大的不利因素,不过电子迁移率可在一定程度上补偿这种影响.作为硅、砷化镓等半导体材料的重要补充,碳化硅是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料,可制作出性能更加优异的高温(300～500 ℃) 、高频、高功率、高速度、抗辐射器件. 在用新型半导体材料制成的功率器件中,最有希望的是碳化硅( SiC) 功率器件,它的性能指标比砷化镓器件还要高一个数量级.

碳化硅与其他半导体材料相比,具有下列优异的特点:

高的禁带宽度,高的饱和电子漂移速度,高的击穿强度,低的介点常数和高的热导率. 上述这些优异的物理特性,决定了碳化硅在高温、高频率、高功率的应用场合是极为理想的半导体材料.

在同样的耐压和电流条件下,碳化硅器件的漂移区电阻要比硅低200 倍. 即使高耐压的碳化硅场效应管的导通压降,也比单极型、双极型硅器件的导通压降低得多.而且,碳化硅器件的开关时间可达10 ns 量级,并具有十分优越的FBSOA.碳化硅可以用来制造射频和微波功率器件,各种高频整流器, MESFETs , MOSFETs 和J FETs等.

碳化硅高频功率器件已在Motorola 公司研发成功,并应用于微波和射频装置. GE 公司正式开发碳化硅功率器件和高温器件(包括用于喷气式引擎的传感器) . 西屋公司已经制造出了在26 GHz 频率下工作的甚高频的MESFET. ABB 公司正在研制高功率、高电压的碳化硅整流器和其他碳化硅低频功率器件,用于工业和电力系统.

理论分析表明,碳化硅功率器件非常接近于理想的功率器件. 可以预见,各种碳化硅器件的研究与开发,必将成为功率器件研究领域的主要潮流之一.但是,碳化硅材料和功率器件的机理、理论、制造工艺均有大量问题需要解决,它们要真正给电力电子技术领域带来又一次革命,估计至少还需要十几年的时间.

“一代器件决定一代电力电子技术. ”每一代新型电力电子器件的出现,总带来一场电力电

子技术的革命. 电力电子器件的应用已深入到工业生产和社会生活的各个方面,实际的需要必将极大地推动器件的不断创新. 微电子学中的超大规模集成电路技术将在电力电子器件的制作中得到更广泛的应用. 具有高载流子迁移率,强的热传导性以及宽带隙的新型半导体材料,如砷化镓、碳化硅等的运用将有助于开发新一代高结温、高频率、高功率参数的器件. 另外,电力电子集成技术是目前电力电子技术领域最为重要的研究方向,必将成为未来该领域的研究热点。

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